Разработка технологии получения железоалюминиевых сплавов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат наук Катаев Владимир Викторович

• Катаев Владимир Викторович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Катаев Владимир Викторович

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ И ПАТЕНТНЫХ ДАННЫХ О

СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЯХ ВЫПЛАВКИ

ЖЕЛЕЗОАЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

2 РАЗРАБОТКА ОСНОВ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЕВОГО

ЧУГУНА

2.1. Термодинамический анализ фазового состава системы Fe-Al-C при различных температурах и выбор оптимального состава алюминиевого чугуна

2.2. Связь структуры железоалюминиевой лигатуры для алюминиевого чугуна со скоростью её охлаждения

2.3. Влияние быстроохлажденной железоалюминиевой лигатуры на структуру алюминиевого чугуна

2.4. Описание предлагаемой технологии получения алюминиевого

чугуна

2.5. Пример выплавки алюминиевого чугуна по разработанной технологии

2.6. Выводы ко второй главе

3 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОГО

КОНСТРУКЦИОННОГО ЖАРОСТОЙКОГО ЖЕЛЕЗОАЛЮМИНИЕВОГО

СПЛАВА

3.1. Выбор оптимального содержания алюминия в железоалюминиевом сплаве для получения твердого металла с мелкодисперсной структурой и оптимальными служебными свойствами

3.2. Обоснование выбора основного плавильного агрегата

3.3. Разработка и выбор рационального состава шлака при выплавке железоалюминиевых сплавов

3.4. Оценка влияния введения различных модифицирующих добавок на

структуру и служебные свойства низкоуглеродистого жаростойкого

железоалюминиевого сплава

3.5. Определение жаростойкости низкоуглеродистых конструкционных железоалюминиевых сплавов

3.6. Описание предлагаемой технологии

3.7. Выводы к третьей главе

4 ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ РАЗРАБОТАННОЙ

ТЕХНОЛОГИИ

4.1. Опытно-промышленные испытания технологии получения жаростойкого алюминиевого чугуна

4.2. Опытно-промышленные испытания технологии получения жаростойкого низкоуглеродистого конструкционного железоалюминиевого сплава

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ТЕРМИНЫ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А - Методики исследований, приборы, оборудование и

материалы

ПРИЛОЖЕНИЕ Б - Примеры термодинамического расчета программой

«ШС-6.1» в системе Бе-А1-С

ПРИЛОЖЕНИЕ В - Патент РФ № 2590772 С1 «Способ получения

алюминиевого чугуна»

ПРИЛОЖЕНИЕ Г - Акт опытно-промышленных испытаний технологии

выплавки алюминиевого чугуна

ПРИЛОЖЕНИЕ Д - Акт опытно-промышленных испытаний технологии выплавки низкоуглеродистого железоалюминиевого жаростойкого сплава

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологии получения железоалюминиевых сплавов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Жаростойкие стали в промышленности имеют очень широкую сферу применения. Все конструкции, трубопроводы, узлы и детали машин, работающие в условиях агрессивных сред, а также высоких температур, изготовляются именно из такого типа сталей. За последние годы в производстве специальных жаростойких сталей и чугунов достигнуты значительные успехи, но сплавы, обладающие высокой жаростойкостью, содержащие в своем составе дорогостоящие легирующие элементы, по-прежнему дефицитны. По этой причине не всегда экономически рационально использование дорогостоящих жаростойких материалов в промышленности для изготовления ненагруженных или малонагруженных изделий. Металлургическим предприятиям нужна эффективная технология выплавки таких сплавов.

Но, к сожалению, в России в период с 2010 по 2016 годы производство нержавеющей стали снизилось в 1,2 раза (с 94, 1 до 78 тыс. тонн). Это падение ниже уровня ее производства в 1990 году почти в 10 раз (810 тыс. тонн).

Анализ причин такого резкого спада выпуска жаростойких сталей показывает, что дело не только в падении спроса. Дело в том, что производство данного сортамента сталей столкнулось с проблемой дефицита таких дорогостоящих легирующих элементов, как хром и никель, которые вводятся в их состав в количестве 20-40 % и потребность в хроме и никеле при производстве таких сталей достаточно велика.

Так сложилось, что единственным производителем хромовой руды в СССР был Донской ГОК в Казахстане (и еще небольшое Сарановское месторождение в Пермском крае). После распада СССР из-за недопоставок хромовой руды резко снизили производство феррохрома ОАО Челябинский электрометаллургический комбинат «ЧЭМК» и ОАО «Серовский завод ферросплавов». Далее по технологической цепочке снизилось производство нержавеющей и жаростойкой стали всеми металлургическими заводами, а ПАО «Мечел» и АО «Златоустовский электрометаллургический завод» вообще перешли на выпуск рядового сортамента.

Проблема усугубляется тем, что рудные ресурсы, пригодные для промышленной разработки в России ограничены. Так, разведанные месторождения хромовых руд в стране бедны и ферросплавным заводам приходится закупать сырье за рубежом. Это ставит производителей ферросплавов в зависимость от импортеров и уровня мировых цен на данный вид сырья. В результате ценовая составляющая без- и малоуглеродистого феррохрома в стоимости нержавеющей стали весьма значительна. Импорт хромовой руды из Албании, Судана и Турции проблему ее дефицита не решает. Таким образом, проблема дефицита хрома перешла в разряд вопросов экономической безопасности страны, утверждает в своей работе В.П. Чернобровин [1]. Производство никеля и содержащих его ферросплавов, хотя менее импортозависимо, но также довольно затратное.

Нужно отметить, что за последние годы в производстве жаростойких сталей и алюминиевых чугунов достигнуты значительные успехи, но сплавы, обладающие высокой жаростойкостью, содержащие в своем составе, как правило, дорогостоящие и дефицитные легирующие элементы, по-прежнему дефицитны. По этой причине не всегда экономически рационально широкое использование этих материалов в промышленности. В настоящее время большое внимание уделяется чу-гунам и сталям, легированным недефицитным и недорогим алюминием, т.к. они обладают наряду с хорошими технологическими свойствами высокой жаростойкостью в сочетании с хорошей коррозионной стойкостью в различных агрессивных средах, меньшим удельным весом, а также целым рядом других высоких физических свойств.

В соответствии с ГОСТ 5632-2014 «Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные» к группе жаростойких (ока-линостойких) отнесены стали и сплавы, которые обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в агрессивных газовых средах при температурах выше 550 °С и работают в ненагруженном или слабонагруженном состоянии. К сталям и сплавам этой группы предъявляют достаточно сложный комплекс требований, включающий наряду с высоким сопротивлением газовой коррозии, хорошую технологичность в металлургическом переделе (изготовление

листов). Требуется также определенный уровень жаропрочности, поскольку в отличие от сплавов сопротивления, используемых для электронагревателей и также обладающих высоким сопротивлением окислению, жаростойкие конструкционные стали и сплавы в процессе эксплуатации обычно испытывают воздействие механических напряжений, хотя бы от собственной массы детали (например, детали печных конструкций).

Жаростойкость материалов измеряется изменением массы образца за определенный отрезок времени при определенных условиях испытаний и выражается величиной изменения массы за данный отрезок времени. Чем меньше эти величины, тем выше жаростойкость. Известно, что основным элементом, определяющим уровень жаростойкости сталей и сплавов, является хром, образующий защитную пленку, состоящую из Сг203 или шпинели М0Сг203 или более сложного состава типа ^е,№)0(Сг,Ре)203. Т.к. хром определяет также и коррозионную стойкость сталей, в процессе развития качественной металлургии высоколегированных сталей показано, что целый ряд материалов обладает как коррозионной стойкостью, так и жаростойкостью. К таким материалам относятся жаростойкие стали типа 20Х23Н18, 20Х20Н14С2, 20Х25Н20С2, сплав ХН78Т и т.д. Поэтому четкую границу между коррозионностойкими и жаростойкими материалами провести нельзя.

Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы, применяются в машиностроении, в энергетике, нефтехимической и химической, в т.ч. авиационной промышленности. Эти материалы способны длительное время работать при высоких температурах в сложнонапряженном состоянии при одновременном воздействии агрессивной внешней среды и сохранять свои физико-механические свойства. Области использования жаростойких и жаропрочных сталей и сплавов в промышленности очень разнообразны: сварные конструкции, муфели, деталей печного оборудования, экраны, газоходы, опоры, подвески и т.д. Сплавы на никелевой основе из-за своей дороговизны могут быть рекомендованы к применению только для весьма ответственных назначений в авиационной и ракетно-космической технике.

Как уже было сказано, сталь, обладающая высокой жаростойкостью и повышенными эксплуатационными свойствами, содержит в своем составе, как правило, дорогостоящие и дефицитные легирующие элементы, такие как хром и никель. Никель вводится для повышения стойкости металла с хромом к окислению при высокой температуре. Однако, повысить жаростойкость можно и с помощью недорого и недефицитного алюминия, который, образуя на поверхности сплава стойкую окисную пленку, также способствует повышению его жаростойкости.

Поскольку хром и никель являются дефицитными элементами, а никель еще и дорогостоящим, не всегда экономически рационально широкое использование этих материалов в промышленности для изготовления ненагруженных и слабо нагруженных изделий. По нашему мнению необходимо привлечь внимание к сплавам, легированным недефицитным и недорогим алюминием, которые по свойствам способны конкурировать, например, с широко распространенной хро-моникелевой сталью типа 20Х23Н18. Поэтому необходимо уделить внимание разработке технологии выплавки Fe-Al сплавов экономически более выгодным способом в открытой индукционной печи под слоем легкоплавкого жидкопо-движного шлака.

Для раскисления стали нашел применение ферроалюминий как сплав, способствующий увеличению степени и стабильности полезного использования алюминия, что связано в основном с повышенной по сравнению с чушковым алюминием плотностью, обеспечивающей погружение сплава в объем металла. Но данный сплав может быть интересен и как конструкционный материал.

Степень разработанности темы работы. В настоящее время большое внимание уделяется чугунам и сталям, легированным недефицитным и недорогим алюминием, т.к. они обладают высокой жаростойкостью. Но простой и экономичной технологии их получения на сегодняшний день пока нет. Процесс совместного сплавления железа и алюминия для получения стабильного конечного сплава с высокими служебными свойствами технологически дорог, сложен и не стабилен из-за высокой активности алюминия. Большое значение имеет содержание в же-лезоалюминиевых сплавах углерода. Промышленности нужен экономичный, по-

лучаемый из недорогого недефицитного сырья железоалюминиевый конструкционный жаростойкий сплав, сопоставимый по своим служебным свойствам с хро-моникелевыми сталями. Такими материалами могут быть специальные конструкционные железоалюминиевые жаростойкие сплавы, полученные путем легирования недефицитным алюминием. Разработка технологии получения недорогих жаростойких железоалюминиевых сплавов, обладающих высокими служебными свойствами, имеет, по нашему мнению, в настоящее время актуальное значение.

Целью работы является разработка технологии получения недорогих углеродистых и низкоуглеродистых жаростойких железоалюминиевых сплавов, не содержащих хром и никель и обладающих высокой жаростойкостью. В качестве шихты вместо хрома и никеля могли бы использоваться относительно недорогие лом алюминия, чугуна и низкоуглеродистой стали. Задачи, поставленные в соответствии с целью:

- анализ литературных и патентных данных о существующих на сегодняшний день технологиях выплавки железоалюминиевых сплавов;

- проведение термодинамических расчетов и анализ температурной зависимости изменения фазового состава в системе Fe-Al-C при содержании алюминия от 10,0 до 30,0 мас. % и углерода от 0,1 до 3,0 мас. %;

- исследование структуры железоалюминиевых сплавов (лигатур) и их связь со структурой и составом шихтовых материалов и технологическим режимом выплавки;

- определение жаростойкости низкоуглеродистого конструкционного же-лезоалюминиевого сплава в зависимости от вводимых в него модифицирующих элементов, а также его структуры;

- проведение опытно-промышленных испытаний разработанных технологий.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- показана зависимость конечной структуры железоалюминиевой лигатуры, содержащей 30 мас. % А1, от скорости её охлаждения, анализ которой позволил подобрать лигатуру для алюминиевых чугунов;

- исследована и показана наследственная связь структуры вводимой быстро охлажденной легирующей добавки ФА-30 с гомогенностью структуры конечного металла путем исследования кинематической вязкости его расплавов;

- получены новые данные о влиянии введения в низкоуглеродистый желе-зоалюминиевый расплав титана в пределах от 0,8 до 1,1 мас. % и циркония в пределах от 0,1 до 0,2 мас. % на его жаростойкость, что позволило повысить жаростойкость конечного металла в сравнении с рядовой хромоникелевой жаростойкой сталью 20Х23Н18 при выдержке 200 часов и при температуре 1000 °С в

Л Л

2,5 раза (с 0,02 мг/см ч. до 0,006 мг/см ч.).

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что на основе исследования свойств и структур углеродистого и низкоуглеродистого железоалюминиевых жаростойких сплавов:

- разработана новая технология выплавки алюминиевого чугуна с улучшенными служебными свойствами, что подтверждено патентом РФ № 2590772 «Способ получения алюминиевого чугуна»;

- разработана новая технология выплавки железоалюминиевого сплава, обладающего повышенной жаростойкостью.

Разработанные технологии прошли опытно-промышленные испытания. Технологии опробованы в промышленном масштабе на чугунолитейном заводе ООО «Литейное производство УБМ» (г. В.Серьги) и сталелитейном заводе ООО НПП «Альфа-Мет» (г. Екатеринбург), что подтверждается соответствующими актами.

Методология и методы исследований, оборудование и материалы приведены в приложении А.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Термодинамические расчеты температурных зависимостей фазового состава системы Fe-Al-C от температуры при содержании алюминия от 10 до 30 мас. % и углерода от 0,1 до 3,0 мас. %, позволившие теоретически подобрать и обосновать рациональный состав сплавов системы Fe-Al.

2. Результаты металлографических исследований образцов Fe-Al сплавов, показывающие влияние различных факторов на их структурные составляющие.

3. Результаты исследований политерм кинематической вязкости расплавов чугуна, показавшие возможность получения однородного состояния жидкого металла при высоких температурах.

4. Разработанные и испытанные в промышленных условиях технологии выплавки жаростойкого алюминиевого чугуна с улучшенными механическими свойствами и низкоуглеродистого жаростойкого конструкционного железоалю-миниевого сплава с повышенной жаростойкостью.

Степень достоверности полученных результатов подтверждается большим массивом экспериментальных данных о структуре и фазовом составе железоалю-миниевых сплавов, что позволяет сделать обоснованные выводы. Применение современных методов РСФА и РСМА, вискозиметрии, а также определение жаростойкости сплавов, послужили основой для разработки технологии получения жаростойких железоалюминиевых сплавов. Такие технологии уже опробованы в промышленном масштабе на металлургическом предприятии ООО «Литейное производство УБМ» (г. В.Серьги) и сталелитейном заводе ООО НПП «Альфа-Мет» (г. Екатеринбург), что подтверждается соответствующими актами.

Апробация результатов. Основные положения работы докладывались и обсуждались на:

- всероссийской московской конференции «Металл Экспо» (Москва, 2013 г.);

- совещании ЦКП «Урал-М» Института металлургии УрО РАН с элементами школы молодых ученых (Екатеринбург, 2013 г.);

- научно-технической конференции, посвященной 110-летию со дня рождения К.К. Чуприна ФГУП ВИАМ «Современные литые жаропрочные и специальные сплавы, технологии их выплавки и литья монокристаллических рабочих лопаток ГТД» (Москва, 2014 г.);

- совещании Центра коллективного пользования «Урал-М» Института металлургии УрО РАН «Рациональное природопользование и передовые технологии материалов» (Екатеринбург, 2014, 2015, 2016 г.г.);

- международном форуме «Крым Hi-Tech 2014. Современные технологии и материалы» (Севастополь, 2014 г.);

- XIV Российской конференции «Строение и свойства металлических шлаковых расплавов» (Екатеринбург, 2015 г.);

- 74-й межрегиональной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (Магнитогорск, 2016 г);

- V международной научной конференции, посвященной памяти Почетного профессора УПИ-УрФУ В.С. Кортова «Физика. Технологии. Инновации. ФТИ-2018» (Екатеринбург, 2018 г.);

- V Дальневосточной научной конференции с международным участием «Фундаментальные и прикладные задачи механики деформируемого тела и прогрессивные технологии в машиностроении». ФГБОУ ВО «КнАГУ» (Комсомольск-на-Амуре, 2018 г.);

- научно-практической конференции с международным участием и элементами школы молодых ученых «Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР: ФЕРРОСПЛАВЫ» (Екатеринбург, 2018).

Личный вклад автора состоит в том, что соискатель принимал непосредственное участие в анализе литературных и патентных данных о состоянии вопроса по заданной теме и постановке задач исследования. Участвовал в экспериментах по получению опытных данных по вязкости расплавленного металла и их обработке. Проводил лабораторные опыты по выплавке образцов и разработке основ новой технологии. Принимал участие в подготовке образцов для изучения их структуры и обработке результатов. Организовал и участвовал в проведении опытно-промышленных испытаний новой технологии. Участвовал в подготовке публикаций по работе и написании заявки на изобретение.

По результатам выполненной работы опубликовано 20 статей, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 статьи индексировано в базе данных Scopus, получен 1 патент РФ.

Диссертационная работа выполнена при поддержке РФФИ №11-08-12078-офи-м «Разработка рационального состава и научных основ технологии производства многокомпонентных жаростойких железоалюминиевых сплавов» и в рамках государственного бюджетного задания по прикладным научным исследованиям по теме №4А-А16-116021210142-7 «Структурные, физико-химические и механические свойства алюминиевых и медных сплавов и композитов конструкционного и электротехнического назначения». Раздел 5. «Исследование и разработка технологии получения нового жаростойкого сплава с высоким содержанием алюминия для эксплуатации при повышенных температурах».

При выполнении работы также осуществлялась финансовая поддержка программой ОХНМ РАН №2 «Создание новых металлических, керамических, стекло, полимерных и композиционных материалов» проект №12-Т-3-1017 «Разработка научных основ технологии получения и выбор рациональных составов сплавов на основе железа».

Большая благодарность за помощь в выполнении работы сотрудникам ИМЕТ УрО РАН н.сотр. В.П. Ермаковой, вед.инж. В.Г. Смирновой, ст.н.сотр., к.т.н. И.В. Некрасову, ст.н.сотр., к.т.н. С.Ю. Мельчакову, ст.н.сотр., к.х.н. Л.А. Овчинниковой, техникам Ю.А. Потаповой и А.В. Зонову и ст.н.сотр. УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, к.т.н. В.В. Конашкову.

1 АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ И ПАТЕНТНЫХ ДАННЫХ О СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЯХ ВЫПЛАВКИ ЖЕЛЕЗОАЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

За последние годы разработки способов выплавки специальных жаростойких сталей и чугунов достигли значительных успехов и работы по совершенствованию существующих технологий их получения и разработке новых ведутся постоянно. Тем не менее, сплавы, обладающие высокой жаростойкостью и содержащие в своем составе дорогостоящие и дефицитные легирующие элементы, такие как хром и никель, имеют высокую стоимость. Поэтому большое внимание сегодня уделяется альтернативным сплавам на железной основе, которые легированы менее дефицитным и более доступным алюминием.

За рубежом в настоящее время сталям, легированным алюминием уделяется большое внимание. Это так называемые облегченные стали. Например, в работе [2] сказано, что в Институте им. Макса Планка ведутся исследовательские работы над железо-марганец-алюминиевым сплавом, содержащим 15 % марганца и 3,0 % алюминия. Такой сплав способен выдерживать удлинение до 50 % и обладает прочность около 1100 МПа.

Сталь, обладающая высокой жаростойкостью и повышенными эксплуатационными свойствами, содержит в своем составе, как правило, дорогостоящие и дефицитные легирующие элементы, такие как хром и никель. Никель вводится для повышения стойкости металла с хромом к окислению при высокой температуре. Однако, повысить жаростойкость можно с помощью сравнительно недорого и недефицитного алюминия, который, образуя на поверхности сплава стойкую окис-ную пленку, также способствует повышению его жаростойкости. Поскольку хром и никель являются дефицитными элементами, а никель еще и дорогостоящим, не всегда экономически рационально широкое использование этих материалов в промышленности. По нашему мнению, в настоящее время необходимо привлечь внимание к сплавам, легированным недефицитным и недорогим алюминием, ко-

торые по свойствам способны конкурировать с широко распространенной хромо-никелевой сталью типа 20Х23Н18.

Алюминий - уникальный металл по своим физическим свойствам. Обладая

-5

плотностью 2,7 г/см , он почти в три раза легче железа. Алюминий в виде оксида А1203 в смеси с оксидами других металлов широко распространен в природе. Хотя производство алюминия электролитическим способом довольно энергозатратно, но принимая во внимание большие объемы его получения, цена не высока. В промышленности он используется в большей степени в виде сплавов (дюралюминий, силумины и т.д.). Силумины обладают высокой жидкотекучестью, малой усадкой при кристаллизации и высокими механическими свойствами [3].

По данным В.И. Напалкова и др. [4], основные физико-химические свойства алюминия следующие: атомный радиус - 0,143 нм.; Тпл - 660,24 оС; Ткип - 2520 оС; теплота плавления - 10,4 кДж/моль; теплота испарения - 291,0 кДж/моль. Сплавы алюминия с другими химическими элементами периодической системы могут быть представлены монотектическими, эвтектическими и эвтектическими с химическими соединениями диаграммами состояния. Сплав алюминия с железом описывается эвтектической диаграммой состояния с химическими соединениями. Алюминий относится к металлам, имеющим в жидком железе неограниченную растворимость, что дает, по мнению А.М. Бигеева [5] возможность получать сплав Fe-A1 в любом процентном соотношении. Добавка всего лишь 2-3 мас. % А1 существенно повышает окалиностойкость чугуна, а при содержании алюминия более 12 мас. % он не окисляется даже при температуре 850-1100 оС, благодаря образованию на поверхности оксидной пленки.

Кроме того, возможности применения алюминиевых чугунов в некоторых областях промышленности являются практически неограниченными. Такие сплавы обладают наряду с хорошими технологическими свойствами высокой жаростойкостью и жаропрочностью в сочетании с хорошей коррозионной стойкостью в различных агрессивных средах, а также целым рядом других полезных потребительских свойств.

В работе [6] отмечено, что по разным причинам иногда экономически не рационально для изготовления ненагруженных и слабонагруженных изделий в промышленности использование дорогих хромоникелевых сталей и существует потребность замены их в некоторых видах изделий на материалы менее дорогие и сопоставимые по служебным свойствам.

Промышленности нужны экономичные, получаемые из недорогого недефицитного сырья жаростойкие железоалюминиевые сплавы, сопоставимые по своим служебным свойствам с хромоникелевыми сталями. Такими материалами могут быть жаростойкие железоалюминиевые сплавы, полученные путем легирования недефицитным алюминием, который в отличие от других легирующих элементов наименее дефицитен.

В настоящее время железоалюминиевые сплавы в промышленности широко используются в основном в трех направлениях:

1. Для раскисления стали широко используется ферроалюминий как сплав, способствующий увеличению степени и стабильности полезного использования алюминия. Это связано с повышенной, по сравнению с чушковым алюминием или

-5

алюминиевой проволокой, плотностью, составляющей от 5,6 до 6,5 т/м (в зависимости от содержания алюминия), обеспечивающей погружение сплава в объем металла и более полное усвоение полезного элемента [7, 8]. Кроме того алюминий может использоваться в виде проволоки с различными наполнителями [9].

2. Специальные алюминиевые чугуны, возможности, применения которых в некоторых областях промышленности очень широки (например, рамы тележек и решетки агломерационных машин, арматура нагревательных котлов и печей, колосники, выпускные коллекторы двигателей внутреннего сгорания и т.д.).

3. Малоуглеродистые конструкционные стали, содержащие менее 0,5 мас. % С и более 10 мас. % А1 или конструкционные железоалюминиевые сплавы, которые обладая определенными жаростойкими свойствами, в отличие от алюминиевых чугунов, обладают еще и относительно хорошими механическими свойствами.

Железоалюминиевые сплавы могут рассматриваться как конструкционные материалы для ненагруженных и слабонагруженных изделий высокотемпературного применения, т.к. обеспечивают стойкость к окислению, невысокую пластичность, а также хорошее соотношение прочности и массы. Кроме того, подобные сплавы обладают хорошим потенциалом износостойкости вследствие их высокой твердости.

Их пластичность, прочность и износостойкость можно значительно увеличить присутствием упрочняющей фазы в железоалюминидной матрице. Наличием других фаз можно улучшить не только пластичные свойства, но и прочностные характеристики, а также жаростойкость. Алюминиды железа обладают выдающейся коррозионной и сульфатационной стойкостью, но наличием второй фазы их улучшить нельзя. Возможность использования этих сплавов требует достоверных сведений о фазовых равновесиях и превращениях в системе Fe-Al и, особенно, в системе Fe-Al-С, полной равновесной диаграммы которой до сих пор не существует [10].

Результаты термодинамических исследований жидких растворов в системе Fe-Al [11] показывают, что во всей области составов наблюдаются большие отрицательные отклонения от идеальных растворов. Это согласуется с диаграммой состояния системы, приведенной на рисунке 1.1, которая показывает, что в твердом состоянии образуется ряд химических соединений. А большие отрицательные значения избыточных свободных энергий и энтальпий образования соединений позволяют сделать вывод о том, что взаимодействие между разносортными атомами проявляются также и в жидких сплавах. В данной системе возможно образование интерметаллидов Fe3Al, FeAl, FeAl2, Fe2Al5 и FeAl3.

Железоалюминиевые сплавы обладают значительным преимуществом по сравнению с другими конкурирующими сплавами на основе алюминида никеля или алюминида титана. Кроме Fe3Al и FeAl существует широкий диапазон составов.

При комнатной температуре кристаллическая структура изменяется от феррита до Fe3Al и, наконец, до FeAl при увеличении содержания Al от 0 до

50 мас. %. Все три структуры имеют объемно-кубическую решетку. Это обеспечивает относительное повышение пластических свойств изучаемых сплавов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Катаев Владимир Викторович, 2020 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Чернобровин, В.П. Сырьевая безопасность черной металлургии России / В.П. Чернобровин. - Челябинск: 2011. - 81 с.

2. Мюльгес, К. От атома до автомобиля / К. Мюльгес // Чёрные металлы. -2015. - №8. С. 53-55.

3. Сушков А.И. Металлургия алюминия / А.И. Сушков, И.А. Троицкий. -М.: Металлургия, 1965. - 518 с.

4. Напалков, В.И. Физико-химические процессы рафинирования алюминия и его сплавов / В.И. Напалков, С.В. Махов, Б.Л. Бобрышев, В.С. Моисеев. / Под ред. В.И. Напалкова. - М.: Теплотехник, 2011. - 496 с.

5. Бигеев, А.М. Металлургия стали / А.М. Бигеев, В.А. Бигеев. - Магнитогорск: МГТУ, 2000. - 544 с.

6. Шешуков, О.Ю. Использование алюминия для раскисления стали / О.Ю. Шешуков, В.И. Жучков, В.В. Зорихин, С.В. Виноградов, А.А. Полушин, Н.В. Те-ляшов // Сталь. - 2004. - № 9. - С. 26-27.

7. Патент РФ № 2214443, МПК С 22 С35/00 опубл.20.10.2003.

8. Патент РФ № 2275431, МПК С 21 С7/06 опубл. 27.04.2006.

9. Дюдкин Д.А. Прецизионная обработка металлургических расплавов / Д.А. Дюдкин, В.В. Кисиленко, И.А. Павлюченков, В.Ю. Болотов. - М.: Теплотехник, 2007. - 424 с.

10. Сильман, Г.И. Система железо-углерод, железо-углерод-кремний и железо-углерод-алюминий / Г.И. Сильман. Старый Оскол: «ТНТ» 2012. 336 с.

11. Банных, О.А. Диаграммы состояния двойных многокомпонентных систем на основе железа / О.А. Банных, П.Б. Будберг, С.П. Алисова. - М.: Металлургия, 1986. - 189 с.

12. Prakash, U. Structure and properties of intermetallics based on the Fe-Al system / R. Buckley, H. Jones, C. Sellars // ISIJ International - 1991. - Vol. 31.10. -P. 1113-1126.

13. Prakash, U. Intermetallic matrix composites based on iron aluminides / http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-85709-346-2.00002-9

14. Ковтунов, А.И. Технология литья и свойства композиционных материалов на основе пористых сталей, пропитанных алюминидом железа // А.И. Ковтунов, Ю.Ю. Хохлов, С.В. Мямин // Литейное производство. - 2019. - №2. - С. 2123.

15. Добаткина, В.И. Плавка и литье алюминиевых сплавов / В.И. Добатки-на. - М.: Металлургия, 1983. - 298 с.

16. Кубашевский, О. Диаграммы состояния двойных систем на основе железа / О. Кубашевский; [перевод с англ. Под ред. Л.А. Петровой]. - М: Металлургия, 1985. - 184 с.

17. Манегин, С.Ю. Перспективы использования сплавов на основе железа для создания высокоэффективных композиционных радиопоглощающих материалов СВЧ-диапазона / С.Ю. Манегин, А.Л. Соколов, О.А. Скачков // Сталь. - 2018. - №9. С. 64-66.

18. Schneider, A. Iron aluminium alloys with strengthening carbides and intermetallic phases for high- temperature applications /A. Schneider, G. Sauthoff // Steel research International. - 2004. - Vol.75.1. - Р. 55-61.

19. Косников, Г.А. Алюминиевые конструкционные чугуны для облегченных отливок ответственного назначения / Г.А. Косников, Л.М. Морозова // Литейное производство. - 1997. - №5. - С. 19-29.

20. Патент РФ №2139950, МПК С 22 С 37/10, опубл. 20.10.1999

21. Вертман, А.А. Методы исследования свойств металлических расплавов / А.А. Вертман, А.М. Самарин. - М,: Металлургия, 1978. - 198 с

22. Александров, Н.Н. Технология получения и свойства жаростойких чугу-нов / Н.Н. Александров, Н.И. Клочнев. - М.: Машиностроение, 1964. - 174 с.

23. Жук, П.П. Курс теории коррозии и защиты металлов. - М.: Металлургия, 1976. - 472 с.

24. Кубашевский, О. Окисление металлов и сплавов / О. Кубашевский, Б. Чопкинс. - М.: Металлургия, - 1965. - 315 с.

25. Архаров, В.И. Окисление металлов / В.И. Архаров. - М.: Свердловск: Металлургиздат, - 1945. - 171 с.

26. Рябчиков, И.В. О качественных характеристиках модификаторов / И.В. Рябчиков, А.Г. Панов, А.Э. Корниенко // Сталь. - 2007. - №6. С. 18-22.

27. Shivkumar, K. Effect of Melting Process and Aluminium Content on the Microstructure and Mechanial Properties of Fe-Al Alloys / K. Shivkumar, R.G. Baligidad, M. Sankar, V.V. Satya Prasad // ISIJ International. - 2010. - Vol.50.10. - Р. 1483-1487.

28. Пуляев, А.А. Алюминиевый ЧВГ-материал для поршневых форсированных дизельных ДВС / А.А. Пуляев, О.В. Акимов, Б.П. Таран // Литейное производство. - 2016. - №1. - С.14-16.

29. Матвеев, С.В. Способы внепечной обработки при получении отливок из специальных чугунов / С.В. Матвеев, Е.В. Рожкова, Э.Б. Тен, А.И. Орехова, А.С. Дрокин // Литейное производство. - 2010. - №9. - С. 2-5.

30. Баум, Б.А. Металлические жидкости / Б.А. Баум. - М.: Наука, 1979. -

135 с.

31. Баум, Б.А. Жидкая сталь / Б.А. Баум, Г.А. Хасин, Г.В. Тягунов. - М.: Металлургия, 1984. - 208 с.

32. Гельд, П.В. Расплавы ферросплавного производства / П.В. Гельд, Б.А. Баум, М.С. Петрушевский. - М.: Металлургия, 1973. - 288 с.

33. Цепелев, В.С. Свойства металлических расплавов / В.С. Цепелев, В.В. Конашков, Б.А. Баум, Г.В. Тягунов // Сб. научн. Тр. В 2-х частях. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ,- 2008. - Ч.1. - 358 с.

34. Цепелев, В.С. Свойства металлических расплавов / В.С. Цепелев, В.В. Конашков, Б.А. Баум, Г.В. Тягунов // Сб. научн. Тр. В 2-х частях. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, - 2008. - Ч.2. - 383 с.

35. Никитин, В.И. Исследование применения наследственности шихты для повышения качества отливок / В.И. Никитин // Литейное производство. - 1985. -№ 6. - С. 20-21.

36. Никитин, В.И. Закономерности и механизмы структурного наследования в системе шихта-расплав - отливка: Наследственность в литых сплавах: тез. Докл.

Обл. межотраслевого научно-техн. Семинара / В.И. Никитин. - Куйбышев: Эза-принт, - 1990. - С. 1-7.

37. Конашков, В.В. Связь механических свойств литых изделий из стали 40Х24Н12СЛ с их микроструктурой и вязкостью расплава / В.В. Конашков, В.С. Цепелев, О.А. Чикова, А.В. Белоносов // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. - 2015. - Т. 58. - №3.- С. 167-173.

38. Чикова, О.А. Определение температур фазовых равновесий высокоэнтропийных металлических сплавов вискозиметрическим методом / О.А. Чикова, К.Ю. Шмакова, В.С. Цепелев // Металлы. -2016. - №2. С. 54-59.

39. Кондратюк, С.Е. Наследственность структуры и свойств литой стали / С.Е. Кондратюк // Литейное производство. - 2008. - №9. - С. 6-10.

40. Гаврилин, И.В. Плавление и кристаллизация сплавов / И.В. Гаврилин. -Владимир: ВлГУ, 2000. - 255 с.

41. Степанов, А.И. Совершенствование технологии плавки металлизован-ных шихт на основе вискозиметрии их расплавов: дис. канд. Техн. Наук: 05.16.02 / Степанов Александр Игоревич. - Свердловск, 1986, - 160 с.

42. Швидковский, Е.Г. Некоторые вопросы вязкости расплавленных металлов [Текст] / Е.Г. Швидковский. - М.: Гостехтериздат, 1955. - 206 с.

43. Гудов, А.Г. Исследование особенностей структурных состояний расплавов железа с целью повышения эксплуатационных свойств твердого металла [Текст]: дис. канд. Техн. Наук: 05.16.02 / Гудов Александр Геннадьевич. - Екатеринбург, 2005, - 177 с.

44. Боровых, М.А. Об оптимальном режиме температурно-временной обработки жидких сталей 32Г1 и 32Г2 / М.А. Боровых, О.А. Чикова, В.С. Цепелев, В.В. Вьюхин // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия - 2015. Т. 58. - № 3. С. 177-179.

45. Чикова, О.А. Определение температур фазовых равновесий высокоэнтропийных металлических сплавов вискозиметрическим методом / О.А. Чикова К.Ю. Шмакова, В.С. Цепелев // Металлы. -2016. -№2. - С. 54-59.

46. Баталин, Г.И. Термодинамика и строение жидких сплавов на основе алюминия / Г.И. Баталин, Е.А. Белобородова, В.П. Казимиров. - М.: Металлургия, 1983. - 160 с.

47. Рябчиков, И.В. Структура и свойства быстро охлаждённых модификаторов / И.В. Рябчиков, В.Д. Поволоцкий, Н.М. Соловьев // Литейное производство. -1994. - №7. С. 4-7.

48. Шешуков, О.Ю. К вопросу повышения жаростойкости материалов /О.Ю. Шешуков, В.П. Ермакова, Л.А. Маршук, В.Г. Смирнова, В.В. Катаев // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Самара: - 2012. -Т.14. - №1 - 2. С. 593-596. (ВАК)

49. Sheshukov, O.Y. Сопдесйопв of the microstructure of the Fe-Al (2533 % wt.) with its composition and cooling rate from the liquid state /O.Y. Sheshukov, V.P. Ermakova, L.A. Marshuk., V.G. Smirnova, V.V. Kataev //Advances in Materials Research - 2013. - Vol. 602 - 604. - P. 594-597. (Scopus).

50. Sheshukov, O.Y. Electric characteristic of steel-making electric furnace and the process control / O.Y. Sheshukov, I.V. Nekrasov, A.V. Sivtsov, M.M. Tsymbalist, D.K. Egiazaryan, V.V. Kataev, A.I. Stepanov //Applied Mechanics and Materials. -2013. - Т. 268. - PART. 1. - Р. 1376-1379. (Scopus).

51. Катаев, В.В. Влияние способа получения отливок из алюминиевого чугуна на их макроструктуру / В.В. Катаев, В.Г. Смирнова, В.П. Ермакова, О.Ю. Шешуков, В.В. Конашков: Тр. Конф. Металл Экспо 2013. - М.: Эзапринт, - 2013. - С. 91-94.

52. Ермакова, В.П. Влияние состава и скоростей охлаждения жидкого металла на структуру сплавов системы Fe-Al / В.П. Ермакова, О.Ю. Шешуков, Л.А. Маршук // МиТОМ. - 2010. - №8. - С. 3-7.

53. Смирнова, В.Г. Исследование микроструктуры и химического состава фаз магнийсодержащего модификатора, полученного с разной скоростью охлаждения. / Е.А. Вязникова, Л.А. Овчинникова, О.Ю. Шешуков, В.И. Жучков, О.В. Заякин, И.В. Рябчиков. // Электрометаллургия. - 2009. - №4. С. 33-36.

54. Ермакова, В.П. Влияние различных алюмосодержащих добавок на гомогенность расплава и структуру алюминиевого чугуна / В.П. Ермакова, В.Г. Смирнова, В.В. Катаев, О.Ю. Шешуков, В.В. Конашков, Л.А. Овчинникова, Л.А. Маршук // МиТОМ. - 2014. - №3(705). - С. 7-11. (ВАК).

55. Катаев, В.В. Влияние различных алюмосодержащих добавок на структуру алюминиевого чугуна: Совещание ЦКП «Урал М» с элементами школы молодых ученых /В.В. Катаев, В.Г. Смирнова, В.П. Ермакова, Л.А. Овчинникова, О.Ю. Шешуков, Л.А. Маршук // Екатеринбуг: Эзапринт, - 2013. - С. 25-27.

56. Ermakova, V.P. Еffect of aluminum-containing additives on the homogeneity of melt and structure of aluminum cast iron / V.P. Ermakova V.G. Smirnova, V.V. Ka-taev, O.Yu. Sheshukov, V.V. Konashkov, L.A. Ovchinnikova, L.A. Marshuk // Metal Science and Heat Treatment. - 2014. - Vol. 56, - №. 3-4. - Р. 118-123. (Scopus).

57. Катаев, В.В. Разработка состава, технологии получения и исследование литого жаростойкого Fe-Al сплава / В.В. Катаев, О.Ю. Шешуков, В.П. Ермакова, В.Г. Смирнова, В.В. Конашков, Л.А. Маршук // Современные литейные высокожаропрочные и специальные сплавы, технология их выплавки и литья монокристаллических рабочих лопаток газотурбинных двигателей: сб. докл. Научно-техн. Конф., посвященной 110-летию со дня рождения К.К. Чуприна - М.: ФГУП ВИАМ. - 2014. - С. 8-10.

58. Катаев, В.В. Влияние различных алюмосодержащих добавок на структуру чугуна: Рациональное природопользование и передовые технологии материалов. Институт металлургии УрО РАН. ЦКП «Урал-М» / В.В. Катаев, В.П. Ермакова, В.Г. Смирнова, В.В. Катаев, О.Ю. Шешуков, В.В. Конашков, Л.А. Овчинникова, Л.А. Маршук // Екатеринбург: Эзапринт, - 2014. - С. 69-72.

59. Катаев В.В. Разработка состава, технологии получения и исследование литого жаростойкого Fe-Al сплава / В.В. Катаев, О.Ю. Шешуков, В.П. Ермакова, В.Г. Смирнова, В.В. Конашков, Л.А. Маршук // Новости материаловедения. Наука и техника. - М.: - 2014, - № 2. - С. 4.

60. Катаев, В.В. Связь структуры ферросплава со структурой и свойствами алюминиевого чугуна / В.В. Катаев, О.Ю. Шешуков, В.П. Ермакова, В.Г. Смир-

нова, В.В. Конашков, Л.А. Маршук // «Крым Hi -Tech» Международный форум. -2014. - http://krym.extech.ru/docs/theses.pdf.

61. Катаев, В.В. Исследование свойств расплавов алюминиевого чугуна [Текст] /В.В. Катаев, О.Ю. Шешуков, В.П. Ермакова, В.Г. Смирнова, В.В. Конашков // Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов: тр. XIV Рос. Конф. - Екатеринбург: Эзапринт, - 2015. - С. 154-155.

62. Шешуков, О.Ю. Влияние содержания алюминия на структуру и механические свойства сплавов на основе системы Fe-Al / О.Ю. Шешуков, В.П. Ермакова, В.Г. Смирнова. В.В. Катаев, Л.А. Овчинникова, М.В. Лапин, А.В. Долматов // Рациональное природопользование и передовые технологии материалов. Ежегодное научно-практическое издание. Институт металлургии УрО РАН. ЦКП «Урал-М». - Екатеринбург: Эзапринт. - 2015. С. 83-85.

63. Бочвар, А.А. Исследование механизма и кинетики кристаллизации сплавов эвтектического типа / А.А. Бочвар. - М.: Главная редакция литературы по цветной металлургии, 1935. - 820 с.

64. ГОСТ 3443-87. Отливки из чугуна с различной формой графита. - М.: Государственный комитет стандартов совета министров СССР. - 30 с.

65.Бобро, Ю.Г. Жаростойкие и ростоустойчивые чугуны / Ю.Г. Бобро. - М.: Машгиз. 1960. - 170 с.

66. Бобро, Ю.Г. Алюминиевый чугун / Ю.Г. Бобро. Харьков: Изд-во Харьковского государственного университета им. А.М. Горького. 1964. - 194 с.

67. Бобро Ю.Г. Легированные чугуны / Ю.Г Бобро. - М.: Металлургия, 1976. - 288 с.

68. Палатник, Л.С. О природе e-фазы в сплавах Fe-Al-С / Л.С. Палатник, И.А. Тананко. Кристаллография. - М.: Наука. 1964. - Т.9. - №2. - С.209-212.

69. Патент РФ № 2590772, МПК С 21 С 1/10, опубл.10.07.2016.

70. Патент РФ № 2487950, МПК С 21 С 1/10, опубл.20.07.2013.

71. Патент РФ № 1211299, МПК С 21 С 1/00, опубл.15.02.1986.

72. Ямшинский, М.М. Литейные и механические свойства жаростойких сталей / М.М. Ямшинский, Г.Е. Федоров // Литейное производство. - 2015. - № 2(79). - С. 17-23.

73. Корнилов, И.И. Основные свойства и применение жароупорного железо-хромалюминиевого сплава №2 / И.И. Корнилов, В.С. Михеев. - М.: Изд-во АН СССР, 1968. - 8 с.

74. Хромушин, Ф.Ф. Нержавеющие стали / Ф.Ф. Хромушин. - М.: Метал-лургиздат. - 1963. - 600 с.

75. Хромушин, Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы / Ф.Ф. Хромушин. - М.: Металлургия. 1964. - 672 с.

76. Ващенко, К.И. Безникелевая жаростойкая сталь для отливок, работающих при переменных температурах до 1200 оС / К.И. Ващенко, В.Я. Жук, В.А. Лютый // Литейное производство. - 1970. - №4. С. 28-32.

77. Гольдштейн, М.И. Специальные стали / М.И. Гольдштейн, С.В. Грачёв, Ю.Г. Векслер. Учеб. Для ВУЗов. М.: МИСиС, - 1999. - 408 с.

78. Сидоров, В.В. Основные положения металлургии литейных жаропрочных сплавов / В.В. Сидоров, А.В. Горюнов, О.М. Косенков // Литейное производство. - 2018. - №6. С. 6-11.

79. ГОСТ 5639-82. Методы выявления и определения величины зерна. - М.: Государственный комитет стандартов совета министров СССР. - 28 с.

80. Шешуков, О.Ю. Управление структурообразованием Fe-C сплавов путем использования ферросплавов и модификаторов, полученных различными способами / О.Ю. Шешуков, В.П. Ермакова, В.В. Катаев, В.Г. Смирнова, Л.А. Овчинникова, И.В. Некрасов, Е.А. Вязникова, Л.А. Маршук // Физическая химия и технология в металлургии: сб. тр., посвященный 60-летию ИМЕТ УрО РАН. Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук. - Екатеринбург: - 2015. - С. 281-293.

81. Смирнова, В.Г. К вопросу наследования структуры шихтовых материалов алюминий содержащими сплавами / В.Г. Смирнова, В.П. Ермакова, В.В. Катаев, О.Ю. Шешуков, М.В. Лапин, А.Б. Шубин, Л.А. Овчинникова // Актуальные

проблемы современной науки, техники и образования: материалы 74 Международной научно-технической конференции под ред. В.М. Колокольцева. - Магнитогорск: МГТУ, - 2016. - Т.1. - С. 102-106.

52. Смирнова, В.Г. К вопросу наследования структуры шихтовых материалов алюминий содержащими сплавами: Рациональное природопользование и передовые технологии материалов. Ежегодное научно-практическое издание. Институт металлургии УрО РАН. ЦКП «Урал-М» / В.Г. Смирнова, В.П. Ермакова, В.В. Катаев, О.Ю. Шешуков, М.В. Лапин, А.Б. Шубин, Л.А. Овчинникова // - Екатеринбург: Эзапринт, - 2016. - 60 с.

53. Карелов, С.В. Конструирование и расчет индукционных плавильных печей: учебное пособие / С.В. Карелов, В.И. Матюхин, О.В. Матюхин, Б.А. Соку-нов, Л.С. Гробова. Под ред. С.Н. Гущина. - Екатеринбург: УрФУ. - 2013. - 165 с.

54. SLAG ATLAS, 2nd Edition. Under Verein Deutscher Eisenhuttenleute ed. Dusseldorf: Verlag Stahleisen GmbH. - 1995. - 616 pр.

55. Балтер, А.А. Фрактография - средство диагностики разрушенных деталей / А.А. Балтер, А.П. Любченко, С.И. Аксенова. - М.: Машиностроение. 19S7. -160 с.

86. Гольдштейн, Я.Е. Инокулирование Fe - C сплавов / Я. Е. Гольдштейн, В. Г. Мизин. - М.: Металлургия. 1993. - 416 с.

S7. Гольдштейн, Я. Е. Модифицирование и микролегирование чугуна и стали / Я. Е. Гольдштейн, В. Г. Мизин. М.: Металлургия. 1986. - 272 с.

SS. Шешуков, О.Ю. Структура модификатора и свойства чугуна. Инновации в материаловедении и металлургии: материалы первой Международной интерактивной науч.- практ. конф. / О.Ю. Шешуков // - Екатеринбург: - 2012. - Ч.2. - С. 1S6-195.

S9. Рябчиков, И. В. История развития производства модификаторов и основные требования к ним. Модифицирование как эффективный метод повышения качества чугунов и сталей: сборник докладов «Литейного консилиума» / И.В. Рябчиков // Челябинск: - 2006. - №1. - С. 4-7.

90. Шуб, Л.Г. О целесообразности модифицирования стального литья. Модифицирование как эффективный метод повышения качества чугунов и сталей: сборник докладов «Литейного консилиума» / Л.Г. Шуб, А.Ю. Ахмадеев // - Челябинск: - 2006. - №1. - С.15 - 19.

91. Ермакова, В.П. Микроструктура комплексного кремнийсодержащего модификатора: тезисы докладов V Международной молодежной научной конференции, посвященной памяти Почетного профессора УрФУ В.С. Кортова: в 7 томах. УрФУ им. Первого президента России Б.Н.Ельцина. Физика. Технологии. Инновации ФТИ-2018 / В.П. Ермакова, В.Г. Смирнова, С.Ю. Мельчаков, В.В. Катаев, О.Ю. Шешуков, И.В. Некрасов // - Екатеринбург: Эзапринт, УрФУ, - 2018. -С. 20 - 22.

92. Некрасов, И.В. Влияние модификаторов, содержащих Ti и Zr, на зерен-ную структуру литых Fe-12%Al сплавов. Фундаментальные и прикладные задачи механики деформируемого твердого тела и прогрессивные технологии в машиностроении: материалы V Дальневосточной конференции с международным участием / И.В. Некрасов, В.Г. Смирнова, В.П. Ермакова, С.Ю. Мельчаков, В.В. Катаев, Маршук, О.Ю. Шешуков // - Комсомольск - на - Амуре: ФГБОУ ВО «КнАГУ» -2018. - С. 140-143.

93. Мельчаков, С.Ю. Способ изменения структуры литых Fe-Al сплавов путем ввода титансодержащих модификаторов. Труды научно-практической конференции с международным участием и элементами школы молодых ученых «Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР: «ФЕРРОСПЛАВЫ» / С.Ю. Мельчаков, В.Г. Смирнова, В.П. Ермакова, В.В. Катаев, Л.А. Маршук, И.В. Некрасов, О.Ю. Шешуков // ООО «Альфа Принт». Екатеринбург: - 2018. - С.297-303.

94. Катаев, В.В. Поведение комплексного модификатора, содержащего РЗМ, при выплавке Fe-Al сплавов в открытой индукционной печи / В.В. Катаев, В.Г. Смирнова, В.П. Ермакова, С.Ю. Мельчаков, О.Ю. Шешуков, Л.А. Овчинникова, И.В. Некрасов // Электрометаллургия. - 2019. - №7. С. 3-10.(ВАК)

95. Смирнов, Н.А. Применение РЗМ для повышения качества стали / Н. А. Смирнов // Электрометаллургия. - 2004. - №.2. - С.34-39.

96. Горюнов, А.В. Влияние редкоземельных металлов на чистоту и служебные характеристики литейного жаропрочного коррозионностойкого сплава / А. В. Горюнов, В. Е. Ригин, В. В. Сидоров // Металлург. - 2018. - №2. - С. 61- 65.

97. Ершов, Г.С. Кинетика растворения нитридов в системе Fe-C-O / Г. С. Ершов, В. М. Бычков // Известия вузов. Черная металлургия. - 1975. - №4. - С. 72-73.

98. Ефимов, В.А. Разливка и кристаллизация стали / В. А. Ефимов. - М.: Металлургия. 1976. - 552 с.

99. Гасик, Л.Н. Структура и качество промышленных ферросплавов и лигатур / Л.Н. Гасик, В.С. Игнатов, М.И. Гасик. - М.: Техника. 1975, - 152 с.

100. Nakano, H. Structural study of the solid solutions in a CaSi2-LaSi2 system / H. Nakano, Sh. Yamanaka // Journal of Solid State Chemistry. - 1994. - Vol. 108. - P. 260-266.

101. Silverman, M. S. New high pressure form of calcium disilicide / M. S. Silverman. // Journal of Physical Chemistry. - 1963. - Vol. 67. - P. 1919- 1920.

102. McWhan, D. B. Crystal structure and superconductivity of a high- pressure phase of CaSi2 / D. B. McWhan // Journal of Less-common Metals. - 1967. - Vol. 12. -P. 75- 76.

103. Yamanaka, Sh. High pressure synthesis of silicon clathrates and related compounds / Sh. Yamanaka, M. Komatsu, K. Inumaru // Review of high pressure Science and Technology. - 2012. - Vol. 22, - № 1. - P. 9 - 16.

104. Imai, M. Structural phase transitions of Zintl-phase silicide BaSi2 and formation of Si clathrate Ba8Si46 at high pressures and high temperatures / M. Imai // Review of high pressure Science and Technology. - 2012. - Vol. 22, - № 1 - P. 17 25.

105. Imai, Y. Assessment of the possibility of the band gap widening of BaSi2 by incorporation of carbon / Y. Imai, A. Watanabe // Intermetallics. - 2010. - Vol.18, -№ 8 - P. 1432 - 1436.

106. Химушин, Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы / Ф.Ф. Химушин. - М.: Металлургия. 1964. - 672 с.

107. Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов [Текст] / Г.П. Фетисов. - М.: Высшая школа. 2001. - 640 с.

108. ГОСТ 6130-71. Металлы. Методы определения жаростойкости. - М.: Государственный комитет стандартов совета министров СССР. - 13 с.

109. Щедров, К.П. Жаростойкие материалы: справочное пособие / К.П. Щедров, Э.Л. Гакман. - М.: Машиностроение. 1965. - 168 с.

110. Арзамасов, Б.Н. Конструкционные материалы: справочное пособие / Б.Н. Арзамасов. - М.: Машиностроение. 1990. - 688 с.

111. Г0СТ-6532-2014. Легированные стали и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки. - М.: Государственный комитет стандартов совета министров РФ. - 13 с.

112. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытания на растяжение. - М.: Государственный комитет стандартов совета министров СССР. - 32 с.

Приложение А

Методика исследований, приборы, оборудование и материалы

Приложение А-1

Термодинамические расчеты Для решения поставленных задач с помощью программного комплекса «ШС-6.1» были проведены термодинамические расчеты в системе Fe-Al-С с целью определения температурных зависимостей и возможного фазового состава.

Универсальный программный комплекс «ШС 6.1» широко распространен среди специалистов в области компьютерных термодинамических расчетов химических реакций в различных системах. Он известен своею универсальностью. С его помощью можно рассчитывать возможность протекания различных химических реакций и существования тех или иных соединений при заданных условиях.

Приложение А-2

Исследование влияния на структуру введения различных алюмосодержащих

лигатур

Для исследования влияния на структуру введения различных алюмосодер-жащих лигатур были получены сплавлением в индукционной печи чугуны по трём вариантам, мас. % (3,36 С; 2,08 Бц 0,105 А1) и три типа легирующих добавок: I вариант: чугун + гранулированный чистый алюминий марки ЧДА, II вариант: чугун + медленно охлажденный ферроалюминий ФА30-М (со скоростью 174 град./мин), III вариант: чугун + быстро охлаждённый ферроалюминий ФА30-В (1650 град./мин).

Приложение А-3

Определение взаимосвязи структуры железоалюминиевой лигатуры на основе системы Fe-Al со скоростью ее охлаждения

Для определения взаимосвязи структуры железоалюминиевой лигатуры на основе системы Fe-Al со скоростью ее охлаждения в среднечастотной индукционной печи ИПП-30 мощностью 30 кВт были выплавлены слитки алюминиевого чугуна массой до 5,0 кг безшлаковым способом по трем вариантам, по две плавки в каждом варианте [52]. Содержание алюминия находилось в пределах от 22,0 до 25,0 мас. %.

При исследовании по методу РСФА применялся рентгеновский дифракто-метр «XRD 7000С SHIMADSU» с автоматическим программным управлением в отфильтрованном монохроматизированном Cu Ка-излучении.

Для исследования по методу РСМА использовался электронный микроскоп Philips SIM 535, оснащенный системой проведения РСМА Genesis 2000.

Химический анализ металла осуществлен с использованием атомно-эмиссионного спектрометра «SpectroFlame Modula S» и атомно-адсорбционного спектрометра «Hitachi Z-8000» и анализатора углерода «CS 225 Leco».

Для определения влияния введения быстро охлажденной лигатуры ФА-30 на структуру алюминиевого чугуна шихта состояла из 870 г серого чугуна, 2700 г быстро охлажденного ФА-30 и смеси извести и плавикового шпата в соотношении 3:1 в количестве 140 г. После расплавления чугуна производилась наводка шлака и доведение температуры расплава до 1570-1580 °С. Затем частями по мере расплавления, вводился быстро охлажденный ферроалюминий ФА-30 и производилась изотермическая выдержка металла в течение 5 минут. Последующая разливка металла велась в песчаную форму в виде пластины размером 15х150х200 мм.

Приложение А-4

Определение вязкости жидкого металла методом крутильных колебаний и

погрешности её измерения

Методика определения вязкости жидкого металла методом крутильных колебаний подробно описана в работах [44,45], авторы которых считают, что кинематическая вязкость является структурно-чувствительным свойством расплавов.

Для анализа структурообразования в расплаве жидкого металла была использована установка по измерению кинематической вязкости расплавов методом крутильных колебаний. Все изменения, происходящие в металлическом расплаве в ходе изотермической выдержки или при изменении температуры, химического состава и других факторов оказывают влияние на кинематическую вязкость расплава. Для изучения вязкости металлических расплавов необходимо создать следующие условия: обеспечить качественное проведение всех вспомогательных операций (подготовку образцов, их правильную загрузку, взвешивание, измерение геометрии), обеспечить поддержание температурных условий и чистоты рабочей атмосферы, осуществить измерение декремента затухания колебаний, произвести расчет значений вязкости.

Первые две задачи выполняются с использованием стандартных средств (металлорежущего оборудования, измерительных и регулирующих приборов, вакуумной техники и др.). Для пересчета декремента затухания в кинематическую вязкость имеется большое количество теоретических моделей и компьютерных программ.

Измерение декремента затухания является одной из самых важных и трудоемких задач при проведении эксперимента. При этом именно измерение декремента имеет решающее значение для качества получаемых результатов. На рисунке представлена принципиальная схема установки для измерения кинетической вязкости методом крутильных колебаний. При работе с высокими температурами (до 1800 °С) предъявляются особые требования к конструкции экспериментальной установки. При высоких температурах необходимо обеспечить высокую герметичность и работу узлов установки. Затруднительно использовать, например, датчики Холла для фиксации угла закручивания или шаговые двигатели для раскрутки подвески.

По этой причине наиболее распространенным способом регистрации параметров крутильных колебаний подвески является наблюдение за траекторией светового луча, отраженного от зеркала и жестко связанного с колеблющейся подвесной системой.

Раскачка подвесной системы осуществляется при помощи электромагнитных катушек, магнитное поле которых воздействует на якорь подвесной системы. Во время раскачки, в начале каждого полупериода меняется полярность питания катушек. Это позволяет уменьшить время раскачки, а также снизить напряжение питания катушек. Схема установки для измерения кинематической вязкости приведена на рисунке А1.

1 - водоохлаждаемая вакуумная камера; 2 - катушки разгона; 3 - якорь подвесной системы; 4 - окно камеры; 5 - зеркало подвесной системы; 6 - тигель с исследуемым расплавом; 7 - нагреватель; 8 - термопара; 9 - осветитель;

10 - фотоприемники; 11 - компьютер; 12 - терморегулятор Рисунок А1 - Схема установки для измерения кинематической вязкости расплавов

Критерием для начала и окончания разгона являются амплитуды колебаний. Таким образом, количество колебаний подвесной системы, по которым производится расчет декремента затухания, жестко не задаётся, но задаются максимальная и минимальная амплитуды, между которыми производится измерение. Оптимальное соотношение максимальной и минимальной амплитуды составляет около 2,7-3,0. В наших условиях при таком соотношении амплитуд число колебаний на один замер декремента составляет от 10 до 20. Определение декремента затухания колебаний осуществляется автоматически следующим образом:

- по полученным временам прохождения по методу наименьших квадратов вычисляются коэффициенты а и Ь уравнения экспоненты;

- по полученному уравнению вычисляется логарифмический декремент затухания колебаний 5.

Измерение времени прохождения и вычисления декремента затухания проводится раздельно для «прямого» (справа налево) и «обратного» (слева направо) хода светового луча через фотодатчики. Соответственно, одновременно получаются два практически независимых измерения декремента 51 и 52. Есть данные, что различие между 51 и 52 вызвано поперечными колебаниями подвесной системы.

Главной причиной этого различия является смещение (дрейф) нулевой линии в ходе эксперимента. Это смещение наблюдается как неравенство и изменение соотношения времен и tRR(i) в ходе опыта. Для повышения точности и достоверности измерений следует обеспечить контроль «нулевого» положения в ходе опыта и усреднять значения 51 и 52 при получении окончательного результата, предварительно созданного в реакционной камере разрежения 10- Мпа.

Изначально при подготовке к эксперименту подвесная система устанавливается так, чтобы и tRR(i) были равны, что соответствует нахождению фотоприемников в точке, отвечающей положению светового пятна в равновесии подвесной системы. Смещение нулевой точки связано с различными факторами, часть из которых невозможно контролировать (например, тепловое расширение элементов подвесной системы). Оценка погрешности измерений определяется следующим образом. Измеряемыми параметрами, необходимыми для получения значений кинематической вязкости расплава являются логарифмический декремент затухания 5, период колебаний т, температура 1, масса образца т, а также радиус и высота образца Я и Н. Кроме того, для пересчета декремента в вязкость, необходимо знать момент инерции подвесной системы I и параметр пустой системы F, зависящий от декремента и периода колебаний пустой системы. Эти два параметра являются градировочными и определяются один раз на несколько де-

сятков опытов. Прямыми измерениями являются измерения т, 1, т, Н, R. Схема затухающих колебаний приведены на рисунке А2.

X - координата светового пятна; и - времена прохождения светового пятна между двумя фотоэлементами; и tRR(i) - времена нахождения светового пятна соответственно слева и справа от блока фотоприемников; t - расстояние между фотоэлементами; т - период колебаний Рисунок А2 - Схема затухающих колебаний

Косвенно измеряются 5, I, F. Погрешность определения периода T можно рассчитать по формулам (А1 и А2):

В нашем случае, для доверительной вероятности 0,95 и числа наблюдений более 10 коэффициент Стьюдента 1 р, п примем равным 2,26. При прямом измерении времени т отношение систематической и случайной погрешности Ох/8<х> < 0,8. Следовательно, систематической погрешностью можно пренебречь и считать Дх = £х. В результате получаем Дт = 1,82713 10-05 с. При средней величине т = 4,02555 с, что соответствует относительной погрешности определения периода 0,0005 %.

X

2

(А1)

(А2)

Погрешность измерения температуры определяем по паспорту используемого измерительного прибора ввода MDS А1-8ТС/0 для термопары ВР (А-1). Погрешность составляет ± 1 °С, что соответствует относительной погрешности порядка 10- %. В этой погрешности не учтена систематическая составляющая, связанная с чистотой металлов, используемых для градуировки, температурного диапазона измерений, износом нагревателя и другими факторами.

Погрешность измерения массы определяется техническими характеристиками используемых весов и составляет в данном случае ± 0,001 грамма. Масса образца ~ 25 г. Относительная погрешность определения массы 0,004 %. Нужно иметь в виду, что изменение массы образцов в процессе эксперимента для разных сплавов составляет от 0,001 до 0,025 г. Таким образом, в некоторых случаях погрешность измерения массы определяется изменением массы образцов в процессе эксперимента, а не точностью весов.

Погрешность измерения высоты и радиуса образцов определяется погрешностью измерительных инструментов, шероховатостью поверхности и разницей геометрии твердого и жидкого образца. С учетом всех этих факторов погрешность измерения диаметра образца составляет ~ 0,07 %, а высоты образца составляет ~ 0,05 %. При этом основная причина погрешности связана с различием геометрии твердого и жидкого образца. По этой причине можно существенно уменьшить погрешности измерения геометрии, если провести измерения плотности образца в твердом и жидком состоянии.

Погрешностью измерения момента инерции пустой системы I можно пренебречь, поскольку измерения проводятся при комнатной температуре, точными приборами и повторяются многократно. Погрешность примерно соответствует погрешности измерения периода ~ 0,0005 %.

Параметр пустой системы F вычисляется по логарифмическому декременту и периоду колебаний пустой системы. Точность его определения соответствует точности определения декремента. Относительная погрешность составляет 0,6 %. Основная проблема при определении F состоит в том, что этот параметр зависит от температуры, а точнее от давления газа внутри установки, которое увеличива-

ется с ростом температуры. Эта проблема решается путем проведения градуиро-вочных опытов с пустой системой.

Таким образом, погрешности в определении т, 1, т, Н, Я, I, F либо пренебрежимо малы, либо могут быть уменьшены путем проведения градуировочных опытов и тщательной подготовки эксперимента. Кроме того, эти погрешности имеют систематический характер и суммарное их влияние косвенно можно оценить по результатам измерений вязкости чистых металлов. Можно построить многомерные градуировочные таблицы, связывающие логарифмический декремент, геометрию, массу образцов с вязкостью, и таким образом, убрать все систематические погрешности.

Главным источником случайной погрешности является измерение логарифмического декремента. При этом для изучения тонких эффектов в жидкости наиболее важно уменьшить именно случайную погрешность. Уменьшать систематическую погрешность важно для получения абсолютных значений вязкости, например, при получении справочных данных. Относительные погрешности измерения приведены в следующей таблице А1 .

Таблица А1 - Относительные погрешности измерения величин используемых при расчете абсолютных значений кинематической вязкости V, %

Д1 ДБ Дт ДЯ ДН Д1 Дт Д5 Дv

0,0005 0,6 0,004 0,07 0,05 0,07 0,0005 0,6 3,0

Величина случайной погрешности составляет 0,8 %. Полная относительная погрешность измерений эксперимента составляет 3,0 %.

Как уже было отмечено, для изучения тонких эффектов, например, нестабильности вязкости во времени или аномальных участков на температурных зависимостях важна величина случайной погрешности. Случайная погрешность обусловлена точностью измерений, 5 и т. Все предыдущее обсуждение погрешностей касалось единичного измерения. На практике, точность и достоверность получаемых данных зависит от количества измерений в единицу времени.

За счет применения автоматики удалось увеличить скорость измерений. В результате время одного измерения составляет от 40 до 60 с. При этом количество колебаний подвесной системы составляет от 10 до 20 на каждое измерение, что соответствует установленному нами оптимальному соотношению максимальной и минимальной амплитуды ~ 3.

Приложение А-5

Определения оптимального содержания количества алюминия в Fe-Al

сплаве

С целью определения оптимального содержания количества алюминия в FeAl сплаве, в индукционной печи ИП-15 (рис. А3) мощностью 15 кВт. Контроль температуры производился инфракрасным термометром марки СЕМ ДТ-8868Н с пределом измерения до 1850 °C. В качестве шихтовых материалов использовали чистый гранулированный алюминий и малоуглеродистую сталь марки 10883 (Э) с содержанием мас. %: 0,008 C; 0,17 Si; 0,19 Mn; 0,02 S и 0,012 P.

Рисунок А3 - Индукционная печь ИП-15 Количество шихтовых материалов рассчитывалось таким образом, чтобы получить в готовом металле 12, 14 и 16 мас. % А1. Для предотвращения контакта металла с окружающей атмосферой вместе с металлической составляющей шихты вводили шлакообразующие материалы, состоящие из оксидов СаО, SiO2, MgO и А1203, количество их составляло от 2 до 4 % от веса металла. Выбор такой шлаковой системы основывался на том, что при определенном сочетании данные окислы образуют легкоплавкую эвтектику с температурой плавления около

1280 °С [84]. Для индукционной плавки легкоплавкий жидкоподвижный шлак играет важную роль. Разливку жидкого металла проводили в подогретую до 200 °С графитовую изложницу (температура выпуска 1570-1580 °С, скорость охлаждения около 800 град./мин). Из опытных слитков (рис. А4) диаметром 15 мм и высотой 120 мм токарной обработкой были получены образцы для определения механических свойств, из которых в дальнейшем были изготовлены микрошлифы для металлографического анализа.

Рисунок A4 - Образец слитка выплавленного металла Из опытных слитков диаметром 15 мм и высотой 120 мм токарной обработкой были получены образцы для определения механических свойств, из которых в дальнейшем были изготовлены микрошлифы для металлографического анализа.

Образцы на растяжение испытаны в соответствии с методикой [112] на универсальной разрывной машине Zwick BT1-FRO050THW.A1K с усилием 50кН со скоростью перемещения захватов 2 мм/мин.

Для исследования, разработки технологических параметров и получения низкоуглеродистых железоалюминиевых сплавов была использована индукционная среднечастотная печь ИП-15 (рис. A3) мощностью 15 кВт. Выплавку сплавов проводили в алундовых тиглях в печи емкостью около 0,5 кг. Контроль температуры производился инфракрасным термометром марки СЕМ ДТ-8868Н с пределом измерений 1850 °C. В качестве металлической части шихты использовали гранулированный алюминий марки ЧДА и низкоуглеродистую сталь 10880 (Э). Количество шихтовых материалов на плавку рассчитывалось таким образом, что-

бы получить в готовом сплаве от 10 до 18 масс. % Al. После достижения расплавом металла температуры около 1580 °C и изотермической выдержки при этой температуре в течение 5 минут металл выливали в прогретую до 200 °C разъёмную графитовую изложницу. Из охлажденных слитков, имеющих вид цилиндрического столбика диаметром 15 мм и высотой 120 мм, на токарном станке вытачивали образцы для механических испытаний.

Приложение А-6

Разработка состава покрывного шлака для индукционной выплавки желе-

зоалюминиевых сплавов

Для исследования железоалюминиевых сплавов использовались шлаки различного состава:

1. Промышленный шлак от выплавки вторичного алюминия (шлак ОПВА).

2. Промышленный белый ковшевой шлак (шлак АКП).

3. Синтетический шлак эвтектического состава.

Сплавы выплавляли тремя различными методами:

Метод I - одновременный ввод всех подготовленных шихтовых материалов.

Метод II - выплавка через лигатуру, т.е. когда сначала получают расплав с высоким (около 30 мас. %) содержанием алюминия, а затем вводят сталь для получения сплава с нужным содержанием алюминия;

Метод III - последовательный ввод в печь всех шихтовых материалов.

С помощью метода РСФА определяли и сравнивали состав шлака до и после выплавки трех сплавов.

Приложение А-7 Изучение влияния модифицирующих добавок на свойства железоалюминиевых сплавов

Для изучения влияния модифицирующих добавок на свойства Fe-Al сплавов в открытой среднечастотной индукционной печи ИП-15 была проведена серия плавок. Мощность печи во время плавки достигала 9 кВт. Жидкий металл выливали при температуре 1570-1580 °С в предварительно прогретую до 200 °С графи-

товую изложницу. Чтобы сравнить варианты плавок, одна из них была без ввода модификатора. За 5 минут до слива металла, в капсуле из алюминиевой фольги на штанге в расплав вместе с алюминием вводили различные модификаторы.

Были исследованы следующие сплавы:

Сплав 1 - исходный, без модифицирования.

Сплав 2 - обработан 7г в количестве 2,0 кг/т.

Сплав 3 - обработан Фти30 в количестве 20,3 кг/т.

Сплав 4 - обработан Фти30(33,0 кг/т) + цирконий (1,0 кг/т).

Сплав 5 - обработан Фти30(62,1 кг/т) + цирконий (1,9 кг/т).

Сплав 6 - обработан ^1ее1 7 (76,7 кг/т).

Сплав 7 - обработан ^1ее1 7 (80,3 кг/т).

Защиту поверхности расплава осуществляли путем наведения ранее применённого эвтектического шлака (ЭШ). Для снятия напряжений слитки диаметром 14,3 мм. И высотой 131 мм помещали в камерную электрическую печь сопротивления КО-14 с воздушной атмосферой, выдерживали один час при температуре 1000 °С и охлаждали с печью. После такой обработки из центральной части слитков на высоте 60 мм были вырезаны образцы диаметром 5 мм и высотой 10 мм для изготовления микрошлифов.

Определение твердости по Роквеллу (НЯС) проведены на образцах согласно ГОСТ 9013-59. Исследование жаростойкости производилось по ГОСТу 6130-71.

Приложение А-8 Определение жаростойкости железоалюминиевых сплавов

Жаростойкость определяется по потере (прибыли) массы, изменению состава пленки на поверхности, характеру и глубине окисленного слоя и др. Основной характеристикой жаростойкости материала считается изменение массы образца за определенное время при определенных условиях испытания (при постоянной температуре и составе атмосферы). Методы определения жаростойкости гостиро-ваны и приведены в работе [108] ГОСТ 6130-71 «Металлы. Методы определения жаростойкости».

Образцы для исследования сплавов до и после длительного окисления были предварительно обработаны на шлифовальной бумаге, подвергнуты ультразвуковой очистке. Затем все подготовленные образцы были взвешены на электронных лабораторных весах АТЬ фирмы «Асси1аЬ» с точностью взвешивания до 110-4 г. Длительное окисление образцов выполняли в камерной электропечи сопротивления КО-14 в воздушной атмосфере.

Температура в печи контролировалась с точностью ± 10 °С. Для подтверждения воспроизводимости результатов, были проведены две серии экспериментов. Взвешивание образцов делали после их выемки из печи и охлаждения через каждые 50 часов до суммарной продолжительности 200 часов при дискретных температурах 800, 900 и 1000 °С.

Приложение Б

Пример термодинамического расчета фазового состава в системе Бе-А1-С программой «ИБС-бЛ» в системе Бе-А1-С крайних значений при содержании А1 10,0 - 30,0 мас. % и углерода 1,0 мас. %.

wt-%

File: D:\HSC6\GiWnVFeAH O.OGI

100 90 SO 70 60 SO 40 30 20 10 0

Fe3C Ai* Ca

1

I Al

500

1000

1500

Temperature

2000 С

Temperature: 298.150 К

Pressure: 1.006 bar

Raw Materials: kaoi

Al 1.0000E-01

С 1.0000E-02

Fe 8.9000E-01

а

б

а - при содержании А1 10,0 мас. %; б - при содержании А1 30,0 мас. % Рисунок Б1 - Результаты термодинамического расчета фазового состава в системе

Бе-А1-С при содержании углерода 1,0 мас. %

Пример термодинамического расчета фазового состава в системе Бе-А1-С программой «НБС-бЛ» в системе Бе-А1-С крайних значений при содержании А1 10,0 - 30,0 мас. % и углерода 2,0 мас. %.

wt-%

100 90 80 70 60 SO 40 30 20 10 0

File: D:\HSC6\Gibbs\FeAI-10.0GI

Fe4C3--

г

Fe3C Auci

t

Iм

—fc

Temperature

500

1000

1500

2000 С

Temperature: 298.150 К

Pressure: 1.000 bar

Raw Materials: kmol

A1 1.0000E-01

С 2.0000E-02

Fe 8.8000E-01

а

wt-%

File: D:\HSC6\Gibbs\FeAI-30.0GI

too

90 SO 70 60 50 40 30 20 10 0

ШСЗ

Fe

F еЗС ALC*

ГегС

L

_

С

Temperature

500

1000

1500

2000 С

Temperature: 298.150 К

Pressure: 1.000 bar

Raw Materials: kmol

Al 3.0000Б-01

С 2.0000E-02

Fe 6.8000E-01

б

а - при содержании А1 10,0 мас. %; б - при содержании А1 30,0 мас. % Рисунок Б2 - Результаты термодинамического расчета фазового состава в системе

Бе-А1-С при содержании углерода 2,0 мас. %

Пример термодинамического расчета фазового состава программой «ШС-6.1» в системе Fe-A1-C крайних значений при содержании А1 22,0 мас. % и углерода 0,13,0 мас. %.

wt-Ч

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

File: D:\HSC6\Gibbs\FeAIO.OGI

I

ЛМСЗ Fe

РеЗС

1-

Ten peni ture

500

1000

1500

2000 С

Temperature: 298.150 К

Pressure: 1.000 bar

Raw Materials: tool

Al 2.2000E-01

С 1.0000E-03

Fe 7.7900E-01

а

РВе: D:\HSC6\GibbiVFeA13.0GI

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

А14СЗ Ре

РеЗС А^Сх

Ге-I ^

/а.

(с

ТегорепИиге

500

1000

1500

2000 С

ТетрелИиге: 298.150 К

Ргеяоге: 1.000 Ьаг

йт М«!епаЬ: кто!

А1 2.2000Е-01

С 3.0000Е-02

Ре 7.5000Е-01

б

а - при содержании углерода 0,1 мас. %; б - при содержании углерода 3,0 мас. % Рисунок Б3 - Результаты термодинамического расчета фазового состава в системе Бе-А1-С при содержании алюминия 22,0 мас. %

утверждаю

Генеральный директор изводство убм» И.е. Фурман 2019 г.

АКТ

опытно-промышленных испытаний

технологии выплавки алюминиевого чугуна

В феврале 2019 года при сотрудничестве между ООО «Литейное производство УБМ» и ИМЕТ УрО РАН на производственном участке предприятия были проведены опытно-промышленные испытания технологии выплавки алюминиевого чугуна в индукционной печи ИСТ-0,25 с рабочей частотой 1000 Гц и емкостью 250 кг. Контроль температуры производился пирометром марки СЕМ ДТ-8868Н с пределом измерений до 1850°С.

Опытно-промышленные испытания технологии выплавки алюминиевого чугуна проводились в следующем порядке: компоненты шихты загружались в индукционную печь с основной футеровкой в количестве:

1. Чугун серый, исходный - 43,5кг.

2. Специально быстро охлажденный ферроалюминий ФА-30 - 135,0 кг.

3. Шлаковая смесь извести и плавикового шпата в соотношении 3:1- 7,0 кг.

После расплавления всего объема исходного серого чугуна и шлаковой смеси.

частями по мере расплавления вводился специальный быстро охлажденный ферроалюминий ФА-30. Затем производилась доводка расплава до температуры 15701580 °С и изотермическая выдержка с контролем температуры металла в течение 5 минут и последующая разливка металла с отсечкой шлака в песчаную форму в виде литых изделий заданной формы. После завершения плавки оставшийся шлак сливался в чугунную изложницу. Общее время плавки составило 45 минут. Химический состав составляющих металлической части шихты проведенной плавки приведен в таблице 1.

Таблица 1 - Химический состав металлической части шихты для выплавки алюминиевого чугуна

Материал А1 С Si 8 Р

Лигатура ФА-30 (ГОСТ 26590-85) 34,10 0,08 - 0,68 - 0,01 0,02

Чугун серый 0,10 3,36 2,98 0,098 0,06

Количество полученных в результате плавки продуктов составило:

- алюминиевый чугун -169,0 кг:

- шлак 5,9 кг.

Полученный алюминиевый чугун соответствует требованиям ГОСТ 7765-82 «Чугун алюминиевый высоколегированный жаростойкий, износостойкий при высокой

температуре». Данные результаты подтверждают возможность получения предлагаемым способом алюминиевого жаростойкого чугуна, близкого по составу к чугуну с шаровидным графитом марки ЧЮ22Ш. Результаты химического анализа полученного чугуна приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты химического анализа выплавленного чугуна

Материал А1 С Б Р

Алюминиевый чугун 25,40 1,50 1,20 0,02 0,05

ГОСТ 7769-82 ЧЮ22Ш 19,0-25,0 1,6-2,5 1,0-2,0 до 0,03 до 0,20

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В результате плавки в индукционной печи ИСТ-0,25 емкостью 250 кг выплавлено и разлито в песчаную форму в виде литых изделий нужной формы 169 кг алюминиевого чугуна.

2. Полученный алюминиевый чугун соответствует требованиям ГОСТ 7769-82 «Чугун алюминиевый высоколегированный жаростойкий, износостойкий при высокой температуре».

3. По результатам проведенных опытно-промышленных плавок опробована технология, позволяющая получать алюминиевый жаростойкий чугун с улучшенными служебными свойствами.

4. Себестоимость выплавки 1 тонны алюминиевого жаростойкого чугуна с улучшенными служебными свойствами при цене: чугуна - 25 тыс.руб./т; ФА-30 - 50 тыс.руб./т: шлака - 10тыс.руб./т; и эл.энергии - 5,9 руб./кВт/ч.(расход 1000кВт/ч/т) и накладных расходах 12 тыс.руб./т.в условиях ООО «Литейное производство УБМ» составила 67,9 тыс. руб./т.

От ООО «Литейное производство УБМ» Начальник литейного цеха №13

От ИМЕТ УрО РАН

Гл. научный сотрудник, д.т.н.

Младший научный сотрудник

Катаев В. В.

ОООППП «Альфа-Мет»